Kasvuhoone aianduse põllumajandustehnika tehnoloogiaAvaldatud 14. oktoobril 2022 kell 17:30 Pekingis

Maailma rahvastiku pideva kasvuga suureneb inimeste toiduvajadus iga päevaga ning toidu toitumise ja ohutuse osas esitatakse üha kõrgemaid nõudeid. Suure saagikusega ja kvaliteetsete põllukultuuride kasvatamine on oluline vahend toiduprobleemide lahendamiseks. Traditsiooniline aretusmeetod võtab aga suurepäraste sortide aretamiseks kaua aega, mis piirab aretuse edenemist. Üheaastaste isetolmlevate põllukultuuride puhul võib esialgsest ristamisest uue sordi tootmiseni kuluda 10–15 aastat. Seetõttu on põllukultuuride aretuse kiirendamiseks hädavajalik parandada aretuse efektiivsust ja lühendada põlvkonnaaega.

Kiirkasvatus tähendab taimede kasvukiiruse maksimeerimist, õitsemise ja viljastumise kiirendamist ning aretustsükli lühendamist, kontrollides keskkonnatingimusi täielikult suletud kontrollitud keskkonnaga kasvuruumis. Taimekasvandus on põllumajandussüsteem, mis võimaldab saavutada suure efektiivsusega põllukultuuride tootmist tänu ülitäpsele keskkonnakontrollile rajatistes ning on ideaalne keskkond kiireks aretuseks. Istutuskeskkonna tingimused, nagu valgus, temperatuur, niiskus ja CO2 kontsentratsioon tehases, on suhteliselt kontrollitavad ning neid ei mõjuta või mõjutab vähem väliskliima. Kontrollitud keskkonnatingimustes saab parima valguse intensiivsuse, valgusaja ja temperatuuri abil kiirendada taimede mitmesuguseid füsioloogilisi protsesse, eriti fotosünteesi ja õitsemist, lühendades seeläbi põllukultuuride kasvuaega. Taimekasvanduse tehnoloogia abil kontrollitakse põllukultuuride kasvu ja arengut, koristades vilju ette, kui vähe idanemisvõimelisi seemi suudab aretusvajadused rahuldada.

Fotoperiood, peamine keskkonnategur, mis mõjutab põllukultuuride kasvutsüklit

Valgustsükkel viitab valguse ja pimeduse perioodide vaheldumisele päevas. Valgustsükkel on oluline tegur, mis mõjutab põllukultuuride kasvu, arengut, õitsemist ja viljumist. Valgustsükli muutuse tajumise abil saavad põllukultuurid üle minna vegetatiivsest kasvust reproduktiivse kasvuni ning täieliku õitsemise ja viljumiseni. Erinevatel põllukultuuride sortidel ja genotüüpidel on fotoperioodi muutustele erinev füsioloogiline reaktsioon. Pika päikesepaisteliste taimede puhul, kui päikesepaiste kestus ületab kriitilise päikesepaiste kestuse, kiireneb õitsemisaeg tavaliselt fotoperioodi pikenemise tõttu, näiteks kaera, nisu ja odra puhul. Neutraalsed taimed, näiteks riis, mais ja kurk, õitsevad olenemata fotoperioodist. Lühikese päevavalgusega taimed, näiteks puuvill, sojauba ja hirss, vajavad õitsemiseks kriitilisest päikesepaiste kestusest lühemat fotoperioodi. Kunstlikes keskkonnatingimustes, kus valgus kestab 8 tundi ja temperatuur on 30 ℃, on amaranti õitsemisaeg enam kui 40 päeva varasem kui põllul. 16/8-tunnise valgustsükli (valgus/pimedus) korral õitsesid kõik seitse odra genotüüpi varakult: Franklin (36 päeva), Gairdner (35 päeva), Gimmett (33 päeva), Commander (30 päeva), Fleet (29 päeva), Baudin (26 päeva) ja Lockyer (25 päeva).

Kunstlikus keskkonnas saab nisu kasvuperioodi lühendada, kasutades seemikute saamiseks embrüokultuuri ja seejärel 16-tunnist kiiritamist, mille tulemusel on igal aastal võimalik toota 8 põlvkonda. Herne kasvuperiood lühendati 143 päevalt põllul 67 päevani kunstlikus kasvuhoones 16-tunnise valgusega. Fotoperioodi edasise pikendamise ja 21 °C/16 °C (päev/öö) kombineerimise abil saab herne kasvuperioodi lühendada 68 päevani ja seemnete külvamise määr on 97,8%. Kontrollitud keskkonnas kulub pärast 20-tunnist fotoperioodi külvist õitsemiseni 32 päeva ja kogu kasvuperiood on 62–71 päeva, mis on enam kui 30 päeva lühem kui põllul. Kunstlikus kasvuhoones 22-tunnise fotoperioodiga lüheneb nisu, odra, rapsi ja kikerherne õitsemisaeg keskmiselt vastavalt 22, 64, 73 ja 33 päeva võrra. Koos seemnete varajase koristamise korral võib varajase koristamise seemnete idanemismäär ulatuda keskmiselt vastavalt 92%, 98%, 89% ja 94%ni, mis vastab täielikult aretuse vajadustele. Kiireimad sordid suudavad pidevalt anda 6 põlvkonda (nisu) ja 7 põlvkonda (nisu). 22-tunnise fotoperioodi korral lühenes kaera õitsemisaeg 11 päeva võrra ja 21 päeva pärast õitsemist oli tagatud vähemalt 5 elujõulist seemet ning igal aastal sai pidevalt paljundada viis põlvkonda. 22-tunnise valgustusega kunstkasvuhoones lüheneb läätsede kasvuperiood 115 päevani ja nad saavad aastas paljuneda 3-4 põlvkonda. 24-tunnise pideva valgustuse korral kunstkasvuhoones lüheneb maapähkli kasvutsükkel 145 päevalt 89 päevale ja neid saab aastas paljundada 4 põlvkonda.

Valguse kvaliteet

Valgusel on taimede kasvus ja arengus oluline roll. Valgus saab õitsemist kontrollida, mõjutades paljusid fotoretseptoreid. Punase valguse (R) ja sinise valguse (B) suhe on põllukultuuride õitsemise seisukohalt väga oluline. Punase valguse lainepikkus 600–700 nm sisaldab klorofülli neeldumispiiki 660 nm, mis võib tõhusalt soodustada fotosünteesi. Sinise valguse lainepikkus 400–500 nm mõjutab taimede fototropismi, õhulõhede avanemist ja seemikute kasvu. Nisu puhul on punase ja sinise valguse suhe umbes 1, mis võib õitsemist kõige varem esile kutsuda. R:B = 4:1 valguse kvaliteedi korral lühenes keskmise ja hilise valmimisega sojaoa sortide kasvuperiood 120 päevast 63 päevani ning taime kõrgus ja toitainete biomass vähenesid, kuid seemnesaak ei muutunud, mis võimaldas rahuldada vähemalt ühe seemne taime kohta ja ebaküpsete seemnete keskmine idanemismäär oli 81,7%. 10-tunnise valgustuse ja sinise valguse lisandi tingimustes muutusid sojaoa taimed lühikeseks ja tugevaks, õitsesid 23 päeva pärast külvi, küpsesid 77 päeva jooksul ja suutsid ühe aasta jooksul paljuneda 5 põlvkonda.

Punase ja kaugpunase valguse suhe (FR) mõjutab ka taimede õitsemist. Valgustundlikud pigmendid esinevad kahel kujul: kaugpunase valguse neeldumine (Pfr) ja punase valguse neeldumine (Pr). Madala R:FR suhte korral muunduvad valgustundlikud pigmendid Pfr-ist Pr-iks, mis viib pikapäevaste taimede õitsemiseni. LED-tulede abil sobiva R:FR-i (0,66–1,07) reguleerimine võib suurendada taimede kõrgust, soodustada pikapäevaste taimede (näiteks lehterlille ja lõvilõua) õitsemist ning pärssida lühikese päevaga taimede (näiteks saialille) õitsemist. Kui R:FR on suurem kui 3,1, lükkub läätsede õitsemisaeg edasi. Parima õitsemisefekti saavutamiseks võib taim õitseda 31. päeval pärast külvi. Punase valguse mõju õitsemise pärssimisele vahendab valgustundlik pigment Pr. Uuringud on näidanud, et kui R:FR on suurem kui 3,5, lükkub viie kaunvilja (hernes, kikerhernes, lai uba, lääts ja lupiin) õitsemisaeg edasi. Mõnes amaranti ja riisi genotüübis kasutatakse õitsemise edasilükkamiseks vastavalt 10 ja 20 päeva võrra kaugpunast valgust.

Väetise CO₂

CO₂on fotosünteesi peamine süsinikuallikas. Kõrge CO2 kontsentratsioon₂võib tavaliselt soodustada C3 üheaastaste taimede kasvu ja paljunemist, samas kui madala kontsentratsiooniga CO₂võib süsiniku piiratuse tõttu vähendada kasvu ja paljunemisvõimet. Näiteks C3 taimede, näiteks riisi ja nisu, fotosünteesi efektiivsus suureneb koos CO2 suurenemisega.₂tasemel, mille tulemuseks on biomassi suurenemine ja varasem õitsemine. CO2 positiivse mõju realiseerimiseks₂kontsentratsiooni suurendamiseks võib olla vajalik optimeerida vee- ja toitainetega varustatust. Seega saab hüdropoonika piiramatute investeeringute korral taimede kasvupotentsiaali täielikult vallandada. Madal CO2 tase₂kontsentratsioon lükkas Arabidopsis thaliana õitsemisaega edasi, samas kui kõrge CO₂kontsentratsioon kiirendas riisi õitsemisaega, lühendas riisi kasvuperioodi 3 kuuni ja paljunes 4 põlvkonda aastas. CO2 täiendamisega₂kunstlikus kasvukastis 785,7 μmol/mol-ni lühenes sojaoasordi 'Enrei' aretustsükkel 70 päevani ja see võis ühe aasta jooksul paljuneda 5 põlvkonda. Kui CO₂kontsentratsioon tõusis 550 μmol/mol-ni, Cajanus cajani õitsemine lükkus edasi 8–9 päeva ning viljade valmimine ja valmimine lükkusid samuti edasi 9 päeva. Cajanus cajan akumuleeris lahustumatut suhkrut kõrge CO2 sisalduse juures.₂kontsentratsioon, mis võib mõjutada taimede signaaliülekannet ja õitsemist edasi lükata. Lisaks võib kasvuruumis, kus on suurenenud CO2 sisaldus₂, sojaoa õite arv ja kvaliteet suurenevad, mis soodustab hübridiseerumist, ning selle hübridisatsioonimäär on palju kõrgem kui põllul kasvatatud sojaubadel.

Tulevikuväljavaated

Kaasaegne põllumajandus saab alternatiivse aretuse ja laboriaretuse abil põllukultuuride aretuse protsessi kiirendada. Nendel meetoditel on aga ka mõningaid puudusi, näiteks ranged geograafilised nõuded, kallis tööjõu juhtimine ja ebastabiilsed looduslikud tingimused, mis ei taga edukat seemnesaaki. Laboratory aretust mõjutavad kliimatingimused ja põlvkondade lisamise aeg on piiratud. Molekulaarmarker aretus kiirendab aga ainult aretuseesmärkide tunnuste valimist ja määramist. Praegu on kiiraretustehnoloogiat rakendatud kõrreliste, liblikõieliste, ristõieliste ja teiste põllukultuuride puhul. Tehase kiiraretus vabaneb aga täielikult kliimatingimuste mõjust ja suudab reguleerida kasvukeskkonda vastavalt taimede kasvu ja arengu vajadustele. Tehase kiiraretustehnoloogia kombineerimine traditsioonilise aretuse, molekulaarmarker aretuse ja muude aretusmeetoditega kiiraretuse tingimustes võimaldab lühendada homosügootsete liinide saamiseks kuluvat aega pärast hübridiseerimist ning samal ajal valida varajasi põlvkondi, et lühendada ideaalsete tunnuste ja aretuspõlvkondade saamiseks kuluvat aega.

Taimede kiiraretustehnoloogia peamine piirang tehastes on see, et eri põllukultuuride kasvuks ja arenguks vajalikud keskkonnatingimused on üsna erinevad ning sihtkultuuride kiireks aretamiseks vajalike keskkonnatingimuste saavutamine võtab kaua aega. Samal ajal on tehase ehituse ja käitamise kõrge hinna tõttu keeruline läbi viia suuremahulisi lisandite aretuskatseid, mis sageli viib piiratud seemnesaagini, mis võib piirata järelhindamist põllul. Tehase seadmete ja tehnoloogia järkjärgulise täiustamise ja täiustamisega vähenevad tehase ehitus- ja käituskulud järk-järgult. Kiiraretustehnoloogiat on võimalik veelgi optimeerida ja aretustsüklit lühendada, kombineerides tõhusalt tehase kiiraretustehnoloogiat teiste aretustehnikatega.

LÕPP

Viidatud teave

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Taimetehase kiiraretustehnoloogia uurimistöö edusammud [J]. Põllumajanduse tehnika tehnoloogia, 2022,42(22):46-49.